ESTANDARIZACIÓN DE LOS SITEMAS DE PROTECCIÓN EN INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS AISLADAS

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1 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERÍA INDUSTRIAL PROYECTO FIN DE CARRERA ESTANDARIZACIÓN DE LOS SITEMAS DE PROTECCIÓN EN INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS AISLADAS CRISTINA TOUCHARD DÍAZ-AMBRONA MADRID, junio de

2 Autorizada la entrega del proyecto a la alumna: Cristina Touchard Díaz-Ambrona LA DIRECTORA DEL PROYECTO Paloma Duque Pérez-Pire Fdo: Fecha: Vº Bº del Coordinador de Proyectos Tomás Gómez San Román Fdo: Fecha: 2

3 ESTANDARIZACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN EN INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS AISLADAS Autor:. Director: Duque Pérez-Pire, Paloma. Entidad Colaboradora: ISOFOTÓN. RESUMEN DEL PROYECTO El presente proyecto consiste en el Estudio del Arte de los distintos dispositivos eléctricos de protección y en el análisis de cuatro instalaciones fotovoltaicas aisladas típicas, con el fin de localizar los puntos que requieran protección eléctrica y asignarles la más adecuada. El objetivo final es obtener una estandarización de las protecciones en este tipo de sistemas para facilitar proyectos futuros. La ventaja que ofrecen las instalaciones fotovoltaicas aisladas es que permiten generar energía de forma descentralizada y sin necesidad de una red eléctrica que la transporte, a parte de ser una forma de energía limpia y respetuosa con el medio ambiente. Estas instalaciones aisladas presentan una configuración eléctrica diferente de las conectadas a red (equipos, valores de corriente y tensión, etc.). Por ello, a la hora de diseñar las protecciones no se realiza de la misma manera y la normativa a utilizar es distinta. Si a esto se le añade que es escasa la experiencia en algunas de estas instalaciones y que se tiende a un mayor desarrollo de las mismas, surge la necesidad de realizar una estandarización de las protecciones para facilitar proyectos futuros. Una instalación fotovoltaica aislada se compone, básicamente, de cuatro elementos: los paneles solares, las baterías, el inversor y el regulador. Los paneles solares transforman la energía solar en eléctrica y cargan las baterías. Éstas acumulan la energía y cuando no hay generación solar proporcionan directamente la energía eléctrica. El regulador de carga controla la carga de las baterías para evitar que se originen sobrecargas o descargas excesivas que reducen la vida útil de las mismas y el inversor transforma la corriente continua que generan los 3

4 paneles en corriente alterna, que es con la que trabajan la mayoría de electrodomésticos que se comercializan. Para proteger tanto a los equipos como a las personas se estudian las posibles contingencias que se pueden producir y se analizan las alternativas que propone la Normativa existente frente a ellas. Las tres protecciones, que son necesarias en toda instalación eléctrica, son las usadas para proteger frente a sobrecorrientes, sobretensiones y electrocución. Para estudiar las protecciones contra sobreintensidades (provocadas por una sobrecarga o un cortocircuito) se emplea el Reglamento Electrotécnico de Baja tensión, ITC-BT-22, el cual recomienda el uso de fusibles y magnetotérmicos para este tipo de contingencias. Para establecer la protección necesaria frente a una sobretensión (provocada por la descarga de un rayo sobre la instalación o en las cercanías de la misma), se utiliza un estudio realizado por el Comité Europeo, el cual señala que cuando se trate de pequeñas instalaciones de poca potencia no se pondrán protecciones. Si por el contrario se trata de una instalación más grande se hará uso de varistores o incluso de pararrayos, si el nivel de tormentas en la zona es elevado. Las protecciones señaladas anteriormente se utilizan fundamentalmente para proteger los equipos. A la hora de proteger a las personas se debe analizar el riesgo de que se produzca una electrocución. Se deben evitar los contactos directos e indirectos, para lo cual se estudian las normas europeas IEC ( Protección contra los choques eléctricos. Aspectos comunes a las instalaciones y a los equipos ) y la IEC ( Recomendaciones para pequeñas instalaciones de energía renovable y sistemas híbridos para electrificación rural ), donde se señala lo siguiente: En el lado de alterna, se protegerá contra el contacto directo si la tensión supera los 50V permitidos. Por tanto se pondrán siempre protecciones ya que la tensión a la salida del inversor será de 120 ó 230V. Para ello se emplearán diferenciales. En el lado de continua se pondrán protecciones contra el contacto directo si la tensión en circuito abierto de los paneles supera 60V. Para ello se usarán fusibles o magnetotérmicos. Pero si los circuitos de alterna y continua están 4

5 separados por un aislamiento galvánico, y la tensión no supera los 120V, no serán necesarias. Frente al contacto indirecto en la parte de alterna serán necesarias las protecciones si la tensión es mayor a 50V. Por tanto siempre se pondrán, empleando para ello, dispositivos Clase II, puestas de tierra y fusibles o magnetotérmicos. En el lado de continua, se pondrán protecciones frente al contacto indirecto si la tensión supera los 120V. Para ello se emplearán las mismas protecciones que frente al contacto directo. Para realizar la estandarización de las protecciones y determinar su ubicación en las instalaciones, éstas se clasifican en cuatro grandes grupos en función de sus dimensiones y su potencia. Para ello, se usan instalaciones ya existentes de ISOFOTÓN como referencia, llegando a las siguientes conclusiones (estándares): Instalaciones individuales de hasta 100Wp de potencia, de generación en continua, generalmente no necesitan ningún tipo de protección. Las protecciones principales suelen estar incluidas en los equipos del sistema. Instalaciones individuales de entre 100 y 700Wp, si sólo alimentan en continua, necesitarán protecciones frente al contacto directo e indirecto. Si generan en alterna, lo normal es que no las necesiten en el lado de continua pero sí, en el de alterna. En instalaciones individuales de más de 700Wp, harán falta las protecciones en alterna contra el contacto directo e indirecto y contra cortocircuitos y sobretensiones. En el caso de una Central Híbrida, todas las protecciones, tanto en alterna como en continua, serán necesarias, así como las protecciones frente a cortocircuitos y sobretensiones. 5

6 STANDARIZATION OF ELECTRICAL PROTECTION DEVICES FOR ISOLATED PHOTOVOLTAIC SYSTEMS PROJECT SUMMARY The topic of this project is the study of the different electrical protection devices and the analysis of four typical isolated photovoltaic systems, in order to locate the main points requiring electrical protection and to choose the most adequate ones for them. The final aim is to standarize the protections for this kind of systems to ease future projects. The advantage of isolated photovoltaic systems is that they generate energy in a decentralized way without needing an electric grid to transport it. Besides, it is a renewable energy enviromentally friendly. Since they are not connected to the grid, main characteristics related to equipments, current and voltage values, among others, are different from the systems connected to the grid. Therefore, the way to design the protections needed is different and the Technical Standards to follow as well. Moreover, taking into account the short experience with some these systems and its increasing development, the need to standarize the protections arises. The four basic components of an isolated photovoltaic installation are: the PV generator, the batteries, the inverter and the charge regulator. The PV generator transforms the solar energy into electrical energy and charges the batteries. Batteries accumulate the energy and, when there is no solar generation available, they provide electrical energy directly. The charge regulator controlls the charge and discharge of the batteries to avoid overcharges and excessive discharges, what may reduce their life. The inverter transforms the DC provided by the PV generator into AC, which supply energy to the majority of the common electrical appliances. To proctect devices and people, several failures that can take place, are studied aswell as possible solutions proposed by the Technical Standards existing. The three electrical protections that are always needed in any electrical installation, are those employed to protect from overcurrents, overvoltage and electric shocks. 6

7 To study the overcurrent protections (overcurrents are provoqued by an overcharge or a shortcircuit) the REBT, ITC-BT-22 is used, which recommends to use fuses or magnetic circuit breakers (MCB). To stablish the adecuate protection for an overvoltage (these are provoqued by lightning discharging on the installation or the surroundings) an European Comission Research is used. It recommends not to use protections when working with a small instalation with low power. However, for a bigger one, dischargers and even lightning conductors, in case of frequent lightning storms, might be used. The already mentioned protections are used to protect equipments. When it comes to protect people, the risk of electric shock must be taken into account. As direct and indirect contacts must be avoided, the IEC ( Protection against electric shock. Common aspects for installation and equipment ) and the IEC ( Recommendations for smal renewable energy and hybrid systems for rural specification ) must be studied, where the following is said: On the AC side, there will be protections against direct contact if the voltage is higher than the 50V allowed. Therefore, protections will be always installed as the voltage leaving the inverter will be 120 or 230V. Residual current devices will be employed. On the DC side, there will be protections against direct contact if the voltage is higher than the 60V allowed. Therefore, fuses and circuit breakers will be installed. Unless the AC and DC circuits are physically separated and the voltage is not higher than 120V, they will have to be used. Against indirect contact on the AC side, protections will be needed if the voltage level is superior to 50V. Therefore, they will always be needed, so Class II devices, earthing arrangement and fuses or circuit breakers will be employed. On the DC side, protections against indirect contact will be installed in case the voltage is higher than 120V. The protections to be used will be the same than those for direct contact. To standarize the protections and determine their location on the installation, these will be classified in for main groups depending on their size and power. Existing 7

8 and operating systems installed by ISOFOTON will be used as reference. Main ideas drawn are the following: Individual systems up to 100Wp, supplying energy in DC, generally don t need any type of protection. Individual systems with power between 100Wp and 700Wp, supplying in DC will need protections against direct and indirect contact. In case they supply in AC, they won t usually need them on the DC side, but they will need them on the AC side. Individual systems with higher power than 700Wp will need protections agains direct and indirect contact, shortcircuits and overvoltages. For a hybrid plant all the protections, AC and DC side, are required, aswell as the protections against shortcircuits and overvoltages. 8

9 Touchard Díaz Ambrona, Cristina ÍNDICE 1 INTRODUCCIÓN MOTIVACIÓN DEL PROYECTO OBJETIVOS DEL PROYECTO FUNCIONAMIENTO DE LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS FUNCIONAMIENTO DE LAS CÉLULAS SOLARES SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS Y SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A RED Solar Home Systems Sistemas centralizados SISTEMAS ELÉCTRICOS DE PROTECCIÓN NECESIDAD DE LAS PROTECCIONES ELÉCTRICAS ESTUDIO DEL ARTE DE LOS PRINCIPALES SISTEMAS DE PROTECCIÓN DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS Interruptores Interruptores automáticos Interruptores térmicos Interruptores magnéticos Interruptores magneto-térmicos Interruptores diferenciales Contactores Fusibles para baja tensión Relés Varistores Toma de Tierra TIPOS DE PROTECCIONES NECESARIAS EN INSTALASIOENS ELÉCTRICAS PROTECCIÓN CONTRA SOBRECORRIENTES Protección contra sobrecargas Protección contra cortocircuitos Dimensionamiento de la protección de conductores contra sobrecargas y cortocircuitos

10 Touchard Díaz Ambrona, Cristina 4.2 PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES PROTECCIÓN CONTRA EL CHOQUE ELÉCTRICO Protección contra el contacto directo Protección contra el contacto indirecto Circuitos en alterna Circuitos en continua APLICACIÓN DE LA NECESIDAD DE PROTECCIONES ELÉCTRICAS A SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS PROTECCIÓN CONTRA SOBRECORRIENTES PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES Características de las protecciones contra rayos PROTECCIONES CONTRA CHOQUE ELÉCTRICO (ELECTROCUCIÓN) Protección contra el contacto directo Protección contra el contacto indirecto Recapitulación ESTANDARIZACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN PARA INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS AISLADAS SHS: P<100WP SHS: 100<P<700 WP SHS: P>700 WP CENTRAL HÍBRIDA ANÁLISIS ECONÓMICO CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA

11 Touchard Díaz Ambrona, Cristina ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS Fig.2 1 Funcionamiento de una célula solar Fig. 3 1 Interruptores Fig. 3 2 Curva característica ce un disparo térmico Fig. 3 3 Curva característica de un disparo magnético Fig. 3 4 Curva característica de un magnetotérmico Fig. 3 5 Curva característica de un diferencial Fig. 3 6 Curva característica de un fusible Fig. 3 7 Curva característica de un varistor Fig. 3 8 Esquema de una Toma de Tierra Fig. 4-1 Contactos directos e indirectos Fig. 4-2 Efectos fisiológicos de la corriente eléctrica Fig. 4-3 Tablas Tiempo/Corriente Fig. 4-4 Tipo de protección de los equipos Fig. 4-5 Tiempos de desconexión requeridos según el valor de la tensión de contacto prevista y curva tiempo/corriente (ma) equivalente (en gris) Fig. 4-6 Esquema de puesta a tierra TT Fig. 4-7 Esquema de puesta a tierra IT Fig. 4-8 Esquema de puesta a tierra TN-S

12 Touchard Díaz Ambrona, Cristina Fig. 5-1 Niveles de seguridad y eficiencia de los dispositivos de protección frente a sobretensiones Fig. 5-2 Esquema de un SHS Fig. 5-3 Sistema de puesta a tierra y sistema flotante Fig. 5-4 Fallo de aislamiento entre fase y una carcasa metálica Fig. 5-5 Fallo de aislamiento entre fase y tierra con esquema TN-S Fig. 5-6 Sistema Clase II Fig. 5-7 Caja de madera casera de 3cm de espesor utilizada para convertir un inversor Clase I en uno Clase II Fig. 5-8 Sistema ideal de tierra donde la corriente de fuga es nula Fig. 5-9 Sistema real aislado de tierra, cuya corriente de fuga es muy pequeña debido a que la impedancia parásita es muy pequeña Fig Sistema aislado de tierra. Riesgo de choque eléctrico al tocar dos carcasas metálicas en las que se ha producido fallos de aislamiento simultáneamente Fig Sistema de protección mediante conductor equipotencial Fig Ejemplo de separación física entre circuitos de alterna y continua Fig. 6-1 Porcentajes de costes para un SHS de 700Wp Fig. 6-2 Porcentajes de costes para un SHS de2300 Wp Fig. 6-3 Porcentajes de costes para una Central Híbrida

13 1 INTRODUCCIÓN 13

14 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Motivación del proyecto El creciente desarrollo de los sistemas energéticos renovables, entre los que se incluye la energía solar, tiene una importancia relevante en nuestros días. La necesidad de este desarrollo surge como resultado de una nueva conciencia en lo que a medio ambiente se refiere, la cual implica la necesidad de potenciar a todos los niveles el uso de energías limpias, y a un evidente problema de agotamiento de los combustibles fósiles usados hasta ahora como medios de obtención de la energía. La electricidad de origen fotovoltaico se presenta, a nivel mundial, como una de las alternativas más importantes en relación a la necesidad de disponer de una fuente energética limpia, segura, de calidad y compatible con el medio ambiente. La electrificación en los países en vías de desarrollo se caracteriza por una red que apenas está extendida fuera de las zonas urbanas o industrializadas, en las cuales sólo habita un 15% de la población cuyos ingresos son bastante mayores a los ingresos del 85% de la población restante. Siendo, además, la situación de estos últimos mucho más precaria y con poca tendencia a mejorar (Muñoz, J; 04). La electrificación descentralizada surge en nuestros días como una alternativa a la extensión de la red para el suministro eléctrico en zonas aisladas de ella, en particular, en zonas rurales de países pobres. 14

15 La tecnología fotovoltaica se presenta como una alternativa adecuada para afrontar los problemas de la electrificación rural descentralizada. Un sistema fotovoltaico es un conjunto de elementos cuyo propósito es generar energía eléctrica a partir de la radiación solar. Las aplicaciones han ido evolucionando desde los sistemas comunitarios hasta los sistemas domésticos individuales. La experiencia acumulada después de 30 años de convivencia con el estudio solar pone en evidencia la falta de consenso en asuntos de destacada importancia. El que la electrificación rural sea costosa se debe a su carácter descentralizado, por lo que ni la disminución del coste de los paneles, ni una nueva tecnología alteraría esta particularidad. Por otro lado se debe tener en cuenta que el valor de un tendido nuevo en cada uno de estos recónditos lugares supera con creces al valor de las instalaciones descentralizadas. La forma de asegurar el mantenimiento de los sistemas a largo plazo es garantizar la calidad técnica de los mismos (Muñoz, J; 04). Los sistemas fotovoltaicos autónomos básicos constan de un sistema de producción de energía (los paneles solares), un sistema regulador de dicha energía que evita las sobrecargas y descargas de las baterías y un sistema de acumulación para la energía generada y no consumida (las baterías) que será consumida posteriormente. La generación de energía se realiza en corriente continua, la cual, en la mayoría de los casos, debe ser transformada a corriente alterna para adaptar su utilización a los equipos electrónicos comercializados en el mercado, cuyo suministro eléctrico se realiza en corriente alterna. Se habla, por tanto, de sistemas que combinan el uso de corriente alterna y corriente continua, con una serie de particularidades distintas de las que se pueden encontrar en la red habitual. A diferencia de ésta, en instalaciones fotovoltaicas, y pese a su larga vida ya en el mercado, no existe un Reglamento universal que regule el diseño de las mismas, por lo que a la hora de proteger tanto al sistema 15

16 como al usuario no disponemos de un modelo estandarizado. Lo que se pretende en el desarrollo de este proyecto es hacer un estudio sobre los estándares de protecciones existentes en el mercado y sobre los puntos que necesitan de protecciones en las instalaciones fotovoltaicas, para así poder hacer una adaptación de aquellos a estos últimos teniendo siempre en cuenta las Normas internacionales que regulan el uso de la electricidad. 1.2 Objetivos del proyecto Los principales objetivos del proyecto se definen a continuación: Se realizará un estudio de los sistemas de protección utilizados actualmente en instalaciones eléctricas tanto en corriente continua como en alterna, analizando sus costes, funcionamiento y componentes. Se analizarán las distintas instalaciones fotovoltaicas aisladas, estudiando sus zonas de peligro, su aparamenta, la ubicación de los mismos en planos. Para concluir que zonas deben ser protegidas, justificando así la necesidad de una estandarización en la utilización de protecciones en este tipo de instalaciones. Se hará la estandarización de protecciones en instalaciones fotovoltaicas aisladas, para alterna y continua, adaptando Normativa y Reglamentos y mediante el análisis de las conclusiones obtenidas en el estudio anterior. 16

17 2 FUNCIONAMIENTO DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS 17

18 2 FUNCIONAMIENTO DE LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS 2.1 Funcionamiento de las células solares La cantidad de energía que el planeta recibe anualmente del sol es del orden de 1500 millones de TWh, cantidad muy superior al consumo mundial de energía. El reto que se plantea es convertirla de forma eficiente en energía eléctrica. Los sistemas fotovoltaicos, sirviéndose de las propiedades de los materiales semiconductores, son capaces de transformar la energía radiada por el sol en energía eléctrica sin necesidad de reacciones químicas, ciclos termodinámicos o procesos mecánicos que requieran partes móviles. El proceso de transformación de energía solar en energía eléctrica se produce en la célula solar, la cual está formada por un elemento semiconductor, normalmente silicio. Cuando la luz del sol incide sobre una de estas células fotovoltaicas, los fotones emitidos por el sol, si poseen la energía adecuada, interaccionan con los electrones del material semiconductor, donándoles su energía y permitiéndoles liberarse, produciendo así un movimiento de electrones dentro de la célula. La tecnología fotovoltaica consigue que parte de esos electrones salgan al exterior del material semiconductor y se genere una corriente eléctrica capaz de circular por un circuito externo. 18

19 Fig.2 1 Funcionamiento de una célula solar. 1) Electrodo negativo 2) Electrodo positivo 3) Silicio dopado N 4) Silicio dopado P 5) Capa de interacción de una célula solar cristalina Se trata de un sistema de producción eléctrica renovable que dispone de un combustible infinito, la luz solar, y tecnológicamente basado en una materia prima, el silicio, prácticamente inagotable, ya que después del oxígeno, es el material más abundante en la Tierra. Las instalaciones fotovoltaicas se caracterizan por ser simples, fáciles de instalar, modulares, de gran duración, escaso mantenimiento, elevada fiabilidad y sin contaminación ambiental y acústica. 19

20 2.2 Sistemas fotovoltaicos aislados y sistemas fotovoltaicos conectados a red Dentro de las instalaciones fotovoltaicas de debe destacar la existencia de dos clases de sistemas: aquellos que están conectados a la red y los que por el contrario son aislados. En los sistemas fotovoltaicos conectados a red no se necesita un sistema de almacenamiento de energía. La energía que se produce es transportada directamente por las líneas de transporte a los centros de consumo. Por el contrario, los sistemas fotovoltaicos aislados se caracterizan por su funcionamiento independiente de la red eléctrica. Son instalaciones habituales en lugares donde el acceso a la misma es difícil y es más económico hacer uso de una fuente fotovoltaica. Estos a su vez se clasifican en sistemas fotovoltaicos directos (sin acumulación) y sistemas fotovoltaicos con acumulación. Los sistemas fotovoltaicos directos no poseen ningún subsistema de acumulación eléctrica. Son típicos en aplicaciones donde la disponibilidad de la energía no es algo determinante y el consumo se puede adaptar a los momentos en que exista radiación solar. Son dispositivos de pequeña potencia como calculadoras, cargadores, etc. Así como sistemas de bombeo solar directo o aplicaciones espaciales como el vehículo de exploración de Marte. Pero la gran mayoría de los sistemas autónomos requieren un sistema de acumulación mediante baterías, de forma que su funcionamiento no se vea alterado por la variabilidad de la radiación solar. La cantidad de energía que se 20

21 necesita acumular se calcula en función de las condiciones climáticas y del consumo de electricidad. El número de paneles a instalar debe calcularse teniendo en cuenta la demanda energética en los meses más desfavorables y las condiciones técnicas óptimas de orientación e inclinación de los paneles, dependiendo del lugar de la instalación. Los elementos básicos que constituyen este tipo de instalaciones aisladas son los siguientes: Generador fotovoltaico: transforma la energía del sol en energía eléctrica y carga las baterías. Regulador de carga: controla la carga de las baterías para evitar que se originen sobrecargas o descargas excesivas que reducen la vida útil de las mismas. En esta parte es posible añadir un sistema de seguimiento del punto máximo de potencia. Baterías: acumulan la energía y cuando no hay generación solar proporcionan directamente la energía eléctrica. Inversor: transforma la corriente continua que generan los paneles en corriente alterna ya que la mayoría de electrodomésticos que se comercializan trabajan en alterna. Las aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos aislados con baterías son numerosas: en instalaciones espaciales, telecomunicaciones, sistemas de señalización, de bombeo, zonas protegidas medioambientalmente, alumbrados de calles y carreteras, sistemas centralizado para poblaciones rurales aisladas, electrificación de viviendas aisladas, etc. El mantenimiento requerido por estos dispositivos es mínimo siendo mayor el de las baterías, ya que los paneles solares tienen una vida de entre 20 y 21

22 30 años a lo largo de los cuales sólo necesitan un mínimo de limpieza para que su rendimiento sea máximo A la hora de realizar una instalación de este tipo se deben de tener en cuenta varios parámetros tales como la potencia pico del campo fotovoltaico, las corrientes máximas de entrada y salida del regulador y la potencia nominal del inversor, así como el dimensionado de los elementos de protección. Este proyecto basa su estudio en los sistemas fotovoltaicos aislados con sistemas de acumulación de energía. Para el análisis de los mismos, se han subdividido en dos grupos: Los Solar Home Systems (SHS, en adelante) o sistemas domésticos. Los sistemas centralizados o centrales híbridas Solar Home Systems Un SHS, es un sistema fotovoltaico aislado de red que permite la electrificación de pequeñas viviendas. No requiere de ninguna línea de distribución. La energía generada se almacena en las baterías y se consume en el mismo sitio donde encuentra la instalación Se caracterizan por: Es la tipología más usada en el mundo. Sistema de gran sencillez. Necesidad de capacitación a nivel usuario 22

23 La estructura básica de un SHS es la siguiente: ESQUEMA UNIFILAR SISTEMA DE ELECTRIFICACIÓN RURAL LUMINARIAS GENERADOR FOTOVOLTAICO REGULADOR EQUIPOS DC BATERÍA INVERSOR EQUIPOS AC Sistemas centralizados Estos sistemas permiten la electrificación de una zona de viviendas, ya que suministran mayores valores de potencia al ser instalaciones más grandes, que poseen mayor número de paneles y de baterías. Se caracterizan por: Tener una pequeña Red de distribución. Posibilidad de conectar algún tipo de generador auxiliar (Eólico, diesel,...). 23

24 Necesidad de capacitación a nivel técnico La estructura básica de un sistema de este tipo es la siguiente: Existe una variante a este tipo de sistemas que son los sistemas híbridos, los cuales combinan una fuente renovable, en este caso sería una de características fotovoltaicas, con un grupo electrógeno (grupos diesel). Así cuando la generación energética de la fuente renovable no es suficiente (debido a que se suceden varios días nublados, sin sol, por ejemplo), éste entra en funcionamiento para no suspender el suministro. Las características básicas de este tipo de sistemas son: 24

25 Funcionamiento del grupo diesel durante el horario de consumo pico Ahorro de combustible y disminución de la contaminación Funcionamiento del sistema fotovoltaico durante el resto del día Reducción de las necesidades de potencia fotovoltaica a instalar La configuración básica de uno de estos sistemas es la siguiente: 25

26 3 SISTEMAS ELÉCTRICOS DE PROTECCIÓN 26

27 3 SISTEMAS ELÉCTRICOS DE PROTECCIÓN 3.1 Necesidad de las protecciones eléctricas La creciente utilización de la energía eléctrica, en todas las aplicaciones de la vida actual, aconseja elaborar la información precisa dirigida al usuario sobre los medios de protección y los riesgos propios de este tipo de energía. Debe tenerse en cuenta el hecho de que las descargas eléctricas son las causantes de numerosos accidentes mortales, debido al contacto de personas con partes metálicas que se encuentran accidentalmente en tensión, o con partes bajo tensión. Estudios realizados sobre accidentes por causas eléctricas demuestran que en la mayoría de los casos, los medios de seguridad previstos no fueron suficientes para garantizar la seguridad de las personas, o bien no estuvieron correctamente instalados, o incluso, su capacidad protectora había disminuido por el paso del tiempo. Por tanto, toda instalación eléctrica tiene que estar dotada de una serie de protecciones que la hagan segura, tanto desde el punto de vista de los conductores y los aparatos a ellos conectados como de las personas que trabajan en ella. Se podría definir protección eléctrica, como el conjunto de equipos necesarios para la detección y eliminación de los incidentes en los sistemas o instalaciones eléctricas. 27

28 Existen muchos tipos de protecciones que pueden hacer una instalación eléctrica completamente segura ante cualquier contingencia, pero hay tres que deben usarse en todo tipo de instalaciones: Protección contra cortocircuitos. Protección contra sobrecargas. Protección contra electrocución. En todo accidente eléctrico interviene siempre una cantidad de energía que se transforma. Esta transformación puede producirse, o bien directamente sobre la persona, causándole lesiones orgánicas de origen eléctrico, o desencadenando un proceso energético que de lugar a un accidente de otra naturaleza, siendo en este caso la corriente eléctrica la causa indirecta. El proceso mediante el cual una persona recibe energía eléctrica en un accidente directo puede ser una simple exposición a las radiaciones electromagnéticas, siendo mucho más frecuentes y graves los casos en el que la víctima quede acoplada eléctricamente a red. Es preciso, por tanto, examinar el grado de peligrosidad de la corriente eléctrica, en función de tres variables físicas: intensidad, frecuencia y tiempo de duración. A la vez deben analizarse los valores de impedancia que presenta el cuerpo humano y que dependerán de las distintas trayectorias seguidas por la corriente eléctrica, así como de la naturaleza y estado de los tejidos atravesados, para todos lo valores posibles de la frecuencia. Se obtienen así, datos que puedan establecer el grado de peligrosidad en función de la tensión para distintos valores de la corriente eléctrica. 28

29 En toda electrificación corporal es importante considerar el establecimiento de un régimen transitorio de corriente a través del cuerpo, cuya duración puede ser importante en función de los tiempos considerados como umbrales de peligro, por lo que los valores de tensión, intensidad e impedancia deben definirse con precisión. A la hora de elegir una protección ha de tenerse presente: Que sea adecuada por sus características, en función de las circunstancias concurrentes en cada caso. Para ello es aconsejable hacer uso de las curvas de funcionamiento, que relacionan la intensidad que circula con el tiempo de fusión o desconexión. Que el poder de corte de la protección (expresado normalmente en ka) sea adecuado a la intensidad de cortocircuito que pueda presentarse en el punto donde se sitúa la protección. 29

30 3.2 Estudio del Arte de los principales sistemas de protección de instalaciones eléctricas Interruptores Un interruptor se puede definir de forma general como un dispositivo mecánico de conexión y desconexión eléctrica, capaz de establecer, soportar e interrumpir la corriente en las condiciones normales de funcionamiento del circuito donde va asociado. La extinción del arco eléctrico, se logra con una tensión e intensidad nominal del interruptor pequeñas. Por ello la dificultad de extinguir el arco crece enormemente según estas dos variables. A continuación se muestra un ejemplo de la estructura de un interruptor con uno o con dos contactos. Fig. 3 1 Interruptores 30

31 Interruptores automáticos Son aparatos utilizados para establecer e interrumpir circuitos eléctricos, caracterizándose por necesitar una fuerza exterior que los conecte pero que por el contrario, se desconectan por sí solos, sin deteriorarse, cuando el circuito al que pertenecen presenta alguna anomalía a la cual son sensibles. Las características principales de este tipo de dispositivo son: Intensidad nominal de funcionamiento, que es la corriente que circula por el interruptor, sin que se produzcan alteraciones en sus elementos. Poder de corte, que es el valor máximo de funcionamiento del interruptor, sin que se produzcan deformaciones o alteraciones extrañas, debidas a las corrientes de cortocircuito. Curvas de funcionamiento; tipos de curvas normalizadas, Intensidad- Tiempo, que reflejan tiempos de actuación en función de la sobreintensidad. Las anomalías que detectan este tipo de protecciones son de cuatro tipos: Sobreintensidades Cortocircuitos Sobretensiones o bajas tensiones Descargas eléctricas a las personas Los interruptores automáticos que responden a estas anomalías se denominan respectivamente: Térmicos, Magnéticos, de máxima y mínima tensión y Diferenciales. 31

32 Interruptores térmicos Son interruptores automáticos que reaccionan ante sobreintensidades ligeramente superiores a la nominal, asegurando una desconexión en un tiempo lo suficientemente corto para no perjudicar ni a la red ni a los receptores asociados con él. Fig. 3 2 Curva característica ce un disparo térmico Según muestra la figura 2, este dispositivo permite trabajar en la zona A pero no llegar a la zona B. La interrupción del circuito se produce siempre cuando las condiciones de trabajo llegan a la zona rayada que marca la separación entre ambas. Esta zona rayada marca las tolerancias que tiene la fabricación de este tipo de aparatos. 32

33 Interruptores magnéticos Son interruptores automáticos que reaccionan ante sobreintensidades de alto valor, cortándolas en tiempos lo suficientemente cortos como para no perjudicar ni a la red ni a los aparatos asociados a ella. Su desconexión se basa en el movimiento de un núcleo de hierro dentro de un campo magnético proporcional al valor de la intensidad que circula. Fig. 3 3Curva característica de un disparo magnético 33

34 El dispositivo permite trabajar en la zona A pero no en la B. La desconexión se efectúa cuando las condiciones del circuito llegan a la zona rayada de separación entre ambas. El límite inferior de la curva (unos 4 milisegundos), viene determinado por el tiempo que transcurre desde el instante de establecimiento de la intensidad, hasta la extinción del arco. Este tiempo marca la inercia mecánica y eléctrica propia de estos aparatos Interruptores magneto-térmicos Estos interruptores combinan normalmente varios de los sistemas descritos anteriormente en un solo aparato. Se caracterizan por ser los más utilizados. 34

35 Fig. 3 4Curva característica de un magnetotérmico Si se observa la curva característica de un interruptor magnetotérmico, se puede diferenciar fácilmente una zona térmica (zona A), una zona de comportamiento magnético (zona B), y una zona donde el disparo se puede producir por cualquiera de los dos efectos, térmico o magnético, indistintamente (Zona C). Se debe destacar que en estas curvas se coloca en el eje vertical la escala de tiempos graduada de forma logarítmica, y en el eje horizontal, graduada también de forma logarítmica, la escala de intensidades en forma de múltiplos de la intensidad nominal. Cabe destacar como característica de estos dispositivos que cuando se produce una desconexión, ya sea por sobrecarga o por cortocircuito, el aparato desconecta aunque se sujete la manecilla de conexión. En el caso de los bipolares o tripolares, cuando una fase sufre una desconexión, ésta se transmite a todos los 35

36 polos por conexiones internas, independientemente de la posición de la manecilla en cada polo. Si se compara un magnetotérmico con un fusible, se observa que aquellos presentan más seguridad y prestaciones, ya que interrumpen los circuitos eléctricos con mayor rapidez y capacidad que los fusibles. Además, a la hora de volver a conectar el circuito no se requiere sustitución del dispositivo ni personal cualificado, basta con presionar un botón o mover un resorte perfectamente aislado y visible. Sin embargo, un fusible requiere la compra de un cartucho nuevo y una persona cualificada que lo coloque en su sitio, por la tensión a la que está sometido. Estos inconvenientes conducen, en muchos casos, a una mala colocación del cartucho o a la exposición de ciertos peligros de personas inexpertas que realizan la operación sin conocer los riesgos que ello conlleva. Como se ha dicho anteriormente, en el caso de que una fase de un magnetotérmico tripolar sufra una perturbación, al disparar su polo arrastra a los otros dos y desconecta por completo el sistema. En el caso de haber instalado tres fusibles en su lugar, al producirse la perturbación se fundiría el fusible correspondiente a la fase y el sistema seguiría funcionando con dos fases, lo que acarrearía numerosas averías. El precio de los magnetotérmicos se ha reducido enormemente, por lo que su uso es frecuente aunque eso no implica que los fusibles no se sigan utilizando en cuadros generales de protección o en situaciones que se requiera una protección adicional. Otra particularidad que poseen es que se pueden desconectar a distancia mediante el acoplamiento de una bobina llamada de emisión, cuando es accionada por la aparición de una tensión, o de mínima tensión, cuando se acciona con la 36

37 desaparición de la tensión, que se encarga de accionar el resorte de desconexión del magnetotérmico Interruptores diferenciales Son interruptores automáticos que evitan el paso de corriente peligrosa para el cuerpo humano. Los efectos que puede producir la corriente sobre el cuerpo humano, dependen de su intensidad y su duración. Fig. 3 5 Curva característica de un diferencial 37

38 Si se observa la curva característica del diferencial, se pueden apreciar cuatro zonas importantes. En la zona A, los efectos que puede producir la corriente sobre el cuerpo humano son inofensivos, en la zona B, puede provocar daños que pueden ser peligrosos, y en la zona C, los efectos pueden llegar a ser mortales ya que se puede producir la fibrilación ventricular y la inconsciencia del ser humano, y una zona D que es la curva característica del diferencial. Para un mismo valor de intensidad, según el tiempo de exposición, la posición en la gráfica puede variar de una zona A, a una zona C, por eso se ha dicho anteriormente, que dicho tiempo de exposición es muy importante a la hora de diseñar la protección. La desconexión, en caso de que sea requerida, la realiza el diferencial, ya que bajo su zona característica existe una zona de trabajo donde no se produce la desconexión por hallarse en zona A, zona de seguridad, pero en el momento en que los valores intensidad-tiempo comienzan a crecer, llegando a situarse en zonas peligrosas como la zona B o la zona C, se cruza la banda de desconexión D y el interruptor se abre. El funcionamiento de los diferenciales se basa en una propiedad de los circuitos bifásicos o trifásicos, en los que la suma de intensidades es igual a cero cuando no existen fugas. Cuando por algún motivo la suma de intensidades no es cero, en la bobina auxiliar aparece una tensión que aplicada a otra pequeña bobina, acciona un pivote que a su vez acciona el dispositivo mecánico que abre los contactos principales del circuito. El dispositivo de disparo automático es de libre mecanismo, es decir, que aún reteniendo el mando correspondiente en la posición de circuito cerrado, ésta se abre si así lo requiere el circuito. Los diferenciales se suelen fabricar normalmente con una sensibilidad de 30 o 300 ma. La intensidad nominal que puede controlar depende de las dimensiones de los contactos principales, pero suele estar comprendida entre 25 y 38

39 63 ma, siendo las más habitual la de 40 ma. Se fabrican dos tipos de diferenciales: uno de dos polos para sistemas bifásicos y otros de cuatro polos para sistemas trifásicos con neutro Contactores Un contactor se define como un aparato mecánico de conexión y desconexión eléctrica, accionado por cualquier forma de energía, menos manual, capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes en condiciones normales del circuito, incluso las de sobrecarga. Las energías utilizadas para accionar un contactor pueden ser muy variadas siendo los contactores más utilizados en la industria aquellos accionados mediante la energía magnética proporcionada por una bobina. Por tanto, lo que caracteriza a un contactor es la tensión que se aplica a la bobina de accionamiento, así como su intensidad ó potencia. Existe una extensa gama de tensiones de accionamiento, tanto en continua como en alterna, siendo las más utilizadas, 24 V, 48 V, 220 V, y 380 V. La intensidad y potencia de la bobina, que naturalmente dependen del tamaño del contador, presentan también una gama muy amplia variando normalmente de 5 A hasta varios cientos de amperios, lo que equivale a decir que estos dispositivos son capaces de controlar un amplio margan de potencias. A la hora de establecer la corriente característica de un contactor, se consideran cargas puramente óhmicas y con ellas se garantiza un número concreto de maniobras. Pero si el cosφ de la carga que se alimenta es menor que uno, la vida útil del contactor se ve reducida debido a los efectos destructivos del arco eléctrico. 39

40 3.2.3 Fusibles para baja tensión Los fusibles son los medios más antiguos de protección de los circuitos eléctricos y se basan en la fusión por efecto Joule de un hilo o lámina intercalada en la línea como punto débil. Poseen formas y tamaños diferentes según sea la intensidad a la que deben fundirse, la tensión del circuito donde se conecten y el lugar donde se empleen. Su forma es circular cuando la corriente que controlan es pequeña, o están formados por varias láminas si la corriente es grande. El material del que está constituido en ambos casos es un metal o una aleación de bajo punto de fusión (normalmente plomo, estaño, zinc, etc.) Existen dos tipos de fusibles para baja tensión: Fusible de empleo general: gl. Se utilizan en la protección de líneas, estando diseñada su curva intensidad-tiempo para una respuesta lenta en las sobrecargas y rápida en los cortocircuitos. Fusible de acompañamiento de motor: am. Se diseñan especialmente para motores, teniendo una respuesta extremadamente lenta a las sobrecargas y rápida a los cortocircuitos. Las dos características de un fusible son su intensidad nominal y su poder de corte. La intensidad nominal es la intensidad normal de funcionamiento para la cual ha sido diseñado, y el poder de corte es la intensidad máxima de cortocircuito capaz de ser interrumpida por el fusible. Para una misma intensidad el tamaño de un fusible depende de su poder de corte, normalmente comprendido entre y A. 40

41 Un gran inconveniente de los fusibles es la imprecisión que tiene su curva característica de fusión frente a otros dispositivos que cumplen el mismo fin, tales como los interruptores automáticos, ya que la banda de dispersión de los fusibles es mayor que la de los interruptores automáticos. Otro inconveniente de los fusibles es la facilidad que tienen de poder ser usados con una misma disposición de base, hilos o láminas no adecuadas. Así mismo, la independencia de actuación de los fusibles en una línea trifásica supone un serio problema, ya que con la fusión de uno de ellos se deja a la línea a dos fases, con los inconvenientes pertinentes que ello conlleva. Fig. 3 6 Curva característica de un fusible 41

42 Entre la fuente de energía y el lugar de defecto suele haber varios aparatos de protección contra cortocircuitos. Para desconectar la zona afectada, es necesario que los fusibles reaccionen de forma selectiva, es decir, debe desconectarse primero el fusible más próximo al lugar de defecto. Si por alguna causa este fusible no responde correctamente, debe actuar el siguiente, y así sucesivamente. La selectividad entre dos fusibles se determina gráficamente mediante la comparación de sus características de disparo. Ambas curvas, a la misma escala, no deben cortarse ni ser tangentes. Esto se cumple en el caso de sobrecargas y pequeñas intensidades de cortocircuito, pero no en el caso de intensidades muy grandes de cortocircuito, ya que aquí los tiempos de fusión son extremadamente cortos y solamente es posible la selectividad en fusibles con una notable diferencia de valor nominal de la intensidad Relés Un relé es un interruptor operado magnéticamente, que se activa o desactiva, según la conexión, cuando un electroimán, que forma parte del mismo, es energizado, es decir, se le aplica un voltaje determinado para que funcione, lo cual provoca que exista conexión o no entre dos o más terminales del dispositivo. Es importante conocer cuál es la resistencia del bobinado del electroimán que activa el relé y con cuánto voltaje éste se activa. Dicho voltaje y dicha resistencia determinan la magnitud que debe de tener la señal que activará el relé y cuánta corriente se debe suministrar al mismo. La corriente se obtiene con ayuda de la Ley de Ohm (I = V / R), donde: 42

43 I es la corriente necesaria para activar el relé V es el voltaje para activar el relé R es la resistencia del bobinado del relé Varistores Los varistores proporcionan una protección fiable y económica contra transitorios de alto voltaje que pueden ser producidos, por ejemplo, por relámpagos, conmutaciones o ruido eléctrico en líneas de potencia de corriente continua o corriente alterna. Estos dispositivos descargadores de tensión, deben colocarse lo más cerca posible del elemento a proteger y su misión es la de derivar a tierra el exceso de tensión que tras la descarga de un rayo puede circular por la línea. Se conecta uno por fase conectando sus entradas a la red y sus salidas a una toma de tierra, que ha de ser independiente de las tomas de tierra de protección contra contactos indirectos, pero, a su vez, ambas tomas deben estar conectadas entre sí, si simultáneamente son accesibles. Un varistor es una resistencia especial muy elevada, cuyo valor disminuye al aumentar la tensión a ella aplicada. Cuando un rayo cae sobre la línea, aparece en ésta una punta de tensión muy elevada V r, que se sobrepone a la tensión nominal de la red V n y que circula por la línea hasta que pueda derivarse a tierra. Al llegar esta sobretensión a los varistores sus valores de resistencia disminuyen bruscamente, haciendo que se esa sobretensión se derive a tierra, I r. Al desaparecer la sobretensión, la resistencia del dispositivo recupera su alto valor, y 43

44 la corriente pasa de nuevo a la línea. No obstante, durante la descarga siempre pasa una parte de la sobretensión, que se denomina residual, U, a la línea. Por tanto a la hora de diseñar una protección de este tipo de debe tener en cuenta: V r, V n, I r y U p. p Los varistores tienen la ventaja sobre los diodos (supresores de transitorios) que, al igual que ellos, pueden absorber energías transitorias (incluso más altas) pero además pueden suprimir los transitorios positivos y negativos. El pico máximo de corriente permitido a través del varistor depende de la forma del impulso y del número de pulsos. Con el fin de caracterizar la capacidad del varistor para resistir impulsos de corriente, se permite generalmente que garantice un máximo impulso de corriente no repetitiva. Este viene dado por un impulso caracterizado por la forma del impulso de corriente desde 8 microsegundos a 20 microsegundos siguiendo la norma IEC 60-2, con tal que la amplitud del voltaje del varistor medido a 1 ma no lo hace cambiar más del 10% como máximo. Un impulso mayor que el especificado puede ocasionar cortocircuitos o ruptura del propio componente; se recomienda por lo tanto instalar un fusible en el circuito que utiliza el varistor, o utilizar una caja protectora. Si se aplica más de un de impulso o el impulso es de una duración mas larga, habría que estudiar las curvas que al efecto nos proporcionan los fabricantes, estas curvas garantizan la máxima variación de voltaje (10%) en el varistor con 1 ma. 44

45 Fig. 3 7 Curva característica de un varistor Toma de Tierra Se define como "Toma de Tierra" a la unión eléctrica de un conductor con la masa terrestre. Esta unión se lleva a cabo mediante electrodos enterrados, obteniendo con ello una toma de tierra cuya resistencia de "empalme" depende de varios factores, tales como: superficie de los electrodos enterrados, profundidad de enterramiento, clase de terreno, humedad y temperatura del terreno, etc. Según la norma 039 MIBT correspondiente a puestas de tierra, se establecen las tomas de tierra con objeto de: Limitar la tensión que con respecto a tierra puedan presentar las masas metálicas en un momento dado. Asegurar la actuación de las protecciones. 45

46 Eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería en el material eléctrico utilizado. La puesta a tierra como protección va siempre asociada a un dispositivo de corte automático, sensible a la intensidad de defecto, que origina la desconexión del circuito. Así, la corriente a tierra producida por un defecto franco (resistencia de fuga nula, R f = 0), debe hacer actuar el interruptor automático magnetotérmico en un tiempo lo más reducido posible. Tal y como se aprecia en la figura, la intensidad de fuga será igual a: Si R t es pequeña, la intensidad de fuga resultará ser grande, provocando el disparo del magnetotérmico (ICP). Fig. 3 8 Esquema de una Toma de Tierra 46